View Categories

Chương 3 – Lựa chọn dạng móng nông

Mục lục

3.1 Các lưu ý chung

Trong đa số trường hợp, spread footing là loại móng kinh tế nhất nếu không phải đặt quá sâu. Tại một độ sâu giới hạn nào đó, “móng nông” bắt đầu làm việc giống móng sâu và kéo theo yêu cầu thi công của móng sâu. Giới hạn này có phần quy ước nhưng thường lấy khoảng gấp đôi kích thước nhỏ nhất của móng theo mặt bằng.

Quyết định dùng móng nông để đỡ công trình cần kiểm tra: có hệ số an toàn đủ chống phá hoại sức chịu tải của đất bên dưới; và biến dạng (lún) dưới tổ hợp tải dự kiến là chấp nhận được. Cũng phải kiểm tra để bảo đảm móng không trượt và ổn định (ví dụ, không lật).

Nếu đáp ứng các yêu cầu thiết kế cơ bản, móng còn cần thi công được. Các vấn đề khả thi thi công được bàn ở Mục 3.3.

3.1.1 Móng trên đất không dính

Đất hạt rời (cohesionless) thường phù hợp hơn đất dính để đặt móng nông, nhất là khi móng tựa trên khối đắp có kết cấu – structural fill . Đất dính ít nhạy lún hơn dưới tải tác dụng; còn đất không dính lún nhanh khi chịu tải.

Cần xem xét đặc biệt trong các tình huống sau có thể xảy ra:

  • Mực nước ngầm gần hoặc cao hơn đáy móng. Nước bão hoà làm giảm ứng suất hữu hiệu, kéo theo giảm sức chịu tải của đất. Xem Mục 4.4 về ứng suất hữu hiệu và Chương 5 về tiêu chí thiết kế móng.
  • Mái dốc lớn ở gần cao độ đáy móng. Phải duy trì hệ số an toàn ổn định tổng thể đủ trong suốt vòng đời công trình.
  • Đất sụt lún (collapsible soils). Các đất này thường ổn định khi khô, nhưng khi thấm ướt/bão hòa có thể xảy ra lún nhanh (sụp lún), vượt quá tiêu chí lún cho phép của công trình. Khả năng hiện diện đất sụt lún có tính vùng, cần đánh giá dựa trên số liệu khảo sát tại chỗ và kinh nghiệm địa phương.
  • Nguy cơ động đất. Cần đánh giá các nguy cơ địa chấn, bao gồm khả năng hóa lỏng dưới tác động động đất. Nếu có khả năng hóa lỏng, phải kiểm tra ổn định động của móng và đánh giá lún động có thể xảy ra.

3.1.2 Móng trên đất dính

Các loại đất dính (đất sét) cố kết tiêu chuẩn (normally consolidated) sẽ xuất hiện lún cố kết khi chịu sự gia tăng ứng suất, chẳng hạn như ứng suất do móng nông gây ra. Quá trình cố kết và phương pháp tính toán lún cố kết được trình bày trong Mục 5.3. Các đất dính cố kết tiêu chuẩn cũng có thể có cường độ kháng cắt thấp khi chịu tải nhanh. Đây là điều kiện tải không thoát nước (undrained loading condition). Do đó, cả sức chịu tải của đất và khả năng xảy ra lún ngắn hạn và dài hạn cần được đánh giá trong giai đoạn thiết kế sơ bộ khi xem xét móng nông trên nền đất dính.

Do đất dính có thể trải qua sự tăng và giảm thể tích lớn do thay đổi hàm lượng nước, móng cầu không nên đặt trên các nền đắp được xây dựng từ loại vật liệu này. Đất sét trương nở (expansive clays) trong điều kiện tự nhiên cũng có thể có biến đổi thể tích lớn. Nếu gặp đất sét tại vị trí xây dựng, cần đánh giá khả năng trương nở trong quá trình khảo sát địa chất và thí nghiệm trong phòng trước khi xác nhận tính phù hợp của móng nông đặt trực tiếp trên đất sét tự nhiên. Thông tin bổ sung về nhận diện đất trương nở có thể tham khảo trong tài liệu Subsurface Investigation Workshop Reference Manual (Arman và cộng sự, 1997).

Các loại đất dính quá cố kết nhẹ (lightly overconsolidated), ví dụ có hệ số quá cố kết (OCR) khoảng từ 1 đến 2, cũng có thể xuất hiện lún cố kết trong quá trình nén sơ cấp (primary/virgin compression) dưới phạm vi ứng suất do móng nông gây ra. Cần kiểm tra trạng thái giới hạn sử dụng (serviceability) trong quá trình lựa chọn loại móng để đảm bảo lún tổng và lún lệch nằm trong giới hạn cho phép đối với công trình.

Các loại đất dính quá cố kết mạnh (heavily overconsolidated) với OCR lớn hơn khoảng 3 hoặc 4 là điều kiện nền đất dính phù hợp nhất để xem xét bố trí móng nông. Đất sét heavily overconsolidated có cường độ cao và tính nén lún thấp.

3.1.3 Móng trên vật liệu địa chất trung gian (IGM) và đá

Vật liệu địa kỹ thuật trung gian (Intermediate geomaterial – IGM) là thuật ngữ dùng để chỉ các điều kiện nền đất có độ chặt và độ cứng đủ lớn để không còn được xem là “đất”, nhưng cũng chưa được coi là “đá” nguyên khối (O’Neill và cộng sự, 1996). Tuy vậy, thuật ngữ này thuận tiện khi thảo luận về các điều kiện địa chất khác nhau về mặt nguồn gốc, nhưng lại có ứng xử tương tự dưới góc độ kỹ thuật.

IGM bao gồm các vật liệu như băng tích băng hà (glacial till), đá bị phong hóa hoàn toàn, trầm tích có mức độ gắn kết từ yếu đến trung bình, và các vật liệu được gắn kết (indurated) bằng quá trình hóa học. Những vật liệu này có thể xuất hiện như vùng chuyển tiếp giữa lớp đất phủ (overburden) và đá nguyên khối. Vì vậy, thuật ngữ IGM có phạm vi định nghĩa khá rộng và có thể mang ý nghĩa khác nhau theo từng khu vực, không hoàn toàn thống nhất giữa các vùng. Ví dụ, một loại đá trầm tích được coi là “mềm” ở khu vực này có thể ở nơi khác lại yếu đến mức cần được xem như đất cho mục đích thiết kế kỹ thuật.

Trong phạm vi thảo luận về móng nông ở đây, IGM được xem là có đủ cường độ và độ cứng, do đó các yếu tố thiết kế ngoài cường độ vật liệu (ví dụ: khả năng lật) thường sẽ chi phối thiết kế móng nông đặt trên loại vật liệu này. Lưu ý rằng, do bản chất của chúng, IGM có thể yêu cầu xem xét các đặc trưng giống như đá, chẳng hạn như cấu trúc khối và các mặt bất liên tục (discontinuities).

Khi IGM hoặc đá nằm tại hoặc gần bề mặt địa hình, hệ móng kinh tế nhất để đỡ các công trình đường bộ thường là móng nông đặt trực tiếp trong hoặc trên lớp IGM hay đá. Ba dạng móng nông cơ bản trên IGM hoặc đá được trình bày trong Hình 3-1.

(indurated, discontinuities)

1. indurated

  • Nghĩa: vật liệu đã bị hóa cứng / kết cứng
  • Cách hiểu kỹ thuật: đất hoặc trầm tích ban đầu rời rạc, nhưng đã được liên kết lại nhờ:
    • quá trình nén chặt lâu dài
    • hoặc xi măng hóa (cementation) do khoáng chất kết dính

2. discontinuities

  • Nghĩa: các mặt bất liên tục
  • Trong địa kỹ thuật/địa chất: là các “mặt yếu” hoặc “mặt gián đoạn” trong khối vật liệu, ví dụ:
    • khe nứt (joints)
    • mặt phân lớp (bedding planes)
    • đứt gãy (faults)
Hình 3-1. Các dạng móng nông điển hình trên IGM hoặc đá cho công trình đường bộ và cầu

Hình 3-1(a) minh họa móng nông tựa trực tiếp trên bề mặt IGM/đá tương đối ngang hoặc thoải, ổn định.

Hình 3-1(b) cho thấy móng nông gần đỉnh mái dốc IGM/đá. Thiết kế địa kỹ thuật trong trường hợp này phải xem xét ổn định tổng thể: mặt trượt phẳng, nêm, trượt, lật đổ… Khả năng mất ổn định mái dốc trong IGM/đá có thể phụ thuộc cường độ của khối nguyên, thế nằm/tình trạng của các mặt bất liên tục (lớp, khe nứt, phiến hóa…) hoặc cả hai. Phân tích ổn định mái dốc IGM/đá không trình bày chi tiết ở đây; tham khảo NHI Module 5 – Rock Slopes (Wyllie & Mah, 1998) và Rock Slope Engineering (Hoek & Bray, 1981).

Khi công trình chịu tải trọng ngang lớn hoặc lực nhổ đáng kể, móng nông có thể phải được neo vào IGM hoặc đá để bảo đảm đủ sức kháng đối với lực nhổ, lực ngang và mô men lật, như minh họa ở Hình 3-1(c). Đối với trường hợp thiết kế móng trên nền IGM hoặc đá mà phải kháng lực nhổ lớn hoặc tải trọng ngang lớn, cần xem xét đến tính sử dụng, hiệu quả kinh tế và tính khả thi thi công của phương án dùng móng sâu ngàm vào vật liệu nền, như trình bày trong Drilled Shafts: Construction Procedures and Design Methods (O’Neill & Reese, 1999). Các giải pháp khác để kháng lực nhổ hoặc tải trọng ngang gồm có micropile và neo đất. Có thể tham khảo Micropile Design and Construction Guidelines Implementation Manual (Armour và nnk., 2000) và GEC No. 4: Ground Anchors and Anchored Systems (Sabatini và nnk., 1999) để được hướng dẫn về các giải pháp này.

Đá và IGM có thể là các vật liệu nền móng có chất lượng tốt và làm việc tin cậy. Tuy nhiên, điều kiện của đá hoặc IGM phải được đánh giá về mức độ phong hóa, cường độ đá, độ bền lâu, cũng như thế nằm và tình trạng của các discontinuities (ví dụ: khe nứt, mặt phân lớp hoặc đứt gãy). Khối IGM hoặc khối đá cũng có thể bị phá vỡ do nổ mìn và/hoặc bị khoét rỗng bởi các hốc rỗng, từ đó làm suy giảm khả năng cung cấp sự đỡ tin cậy cho móng nông. Các IGM overconsolidated (quá cốt kết), như trầm tích đáy hồ bị băng hà chèn ép và một số vật liệu đá phong hóa tàn tích, có thể có cường độ nguyên trạng cao; tuy nhiên, khi chịu các biến đổi ứng suất bất lợi hoặc chỉ một mức cắt nhỏ, chúng sẽ bị suy giảm mạnh sức kháng cắt. Vì vậy, lịch sử ứng suất của IGM cần được xem xét trong quá trình lựa chọn loại móng.

Do đó, việc lựa chọn móng nông đặt trên IGM hoặc đá cần bao gồm đánh giá sớm về ổn định tổng thể, kể cả các cơ chế phá hoại do đặc điểm cấu trúc chi phối, cũng như nguy cơ mất ổn định do sụt hố hoặc sập các hang hốc ngầm. Tương tự như đối với móng nông đặt trên đất, thiết kế móng đơn trên IGM hoặc đá cũng cần kiểm tra sức chịu tải, trượt, lật và độ lún.

3.1.4 Nguy cơ xói

Xói là quá trình xói mòn do tác động thủy lực làm hạ thấp cao trình của lòng dẫn hoặc đáy sông. Quá trình xói mòn này do dòng nước chảy gây ra. Sự cuốn trôi quá mức vật liệu xung quanh móng nông hoặc hiện tượng xói khoét làm mất chỗ tựa dưới đáy móng có thể gây ra biến dạng lớn hoặc làm công trình bị sập. Móng của cầu và các công trình nằm gần sông, kênh dẫn hoặc trong vùng ngập lũ phải được đặt thấp hơn chiều sâu xói dự kiến. Nếu chiều sâu xói quá lớn, khiến móng nông không thể thi công bằng các phương pháp thông thường, thì cần xem xét lựa chọn hệ móng sâu để đỡ công trình. Thông tin chi tiết hơn về đánh giá nguy cơ xói và các biện pháp bảo vệ chống xói được trình bày tại Mục 6.2.2

3.1.5 Chiều sâu ảnh hưởng và bảo vệ chống băng giá

Do spread footing có kích thước mặt bằng hữu hạn, ứng suất gây ra trong khối đất bên dưới móng sẽ giảm dần theo chiều sâu. Nói chung, trong điều kiện nền đất thông thường, tại độ sâu lớn hơn khoảng bốn lần kích thước mặt bằng nhỏ hơn của một continuous spread footing, ảnh hưởng của ứng suất sẽ nhỏ hơn khoảng mười phần trăm ứng suất gây ra ngay dưới móng (đối với móng vuông hoặc gần vuông thì là 2 lần kích thước mặt bằng nhỏ hơn). Các móng bố trí gần nhau có thể có các vùng ảnh hưởng chồng lấn, kết hợp lại tạo thành một vùng ảnh hưởng kéo dài sâu hơn so với các quy tắc kinh nghiệm này. Các quy trình trong Mục 5.3 có thể được dùng để tính ứng suất tại một độ sâu và vị trí xác định bên dưới spread footing. Các phân bố ứng suất này được sử dụng trong Chương 5 để đánh giá sức chịu tải và độ lún.

Spread footing phải được thiết kế đặt đáy dưới chiều sâu đóng băng đối với điều kiện địa phương, hoặc đặt trên các vật liệu không nhạy cảm với băng giá. Mục 6.2.3 trình bày thêm về bảo vệ chống băng giá.

Như có thể thấy từ các bầu ứng suất trong Hình 5-9 và 5-10, chiều sâu ảnh hưởng của ứng suất là một hàm của bề rộng móng. Vì vậy, kích thước của móng đóng vai trò trong việc đánh giá độ lún và sức chịu tải. Lưu ý rằng các giá trị sức chịu tải giả định đối với móng đặt trên đất có thể tìm thấy trong tài liệu thường không phụ thuộc vào bề rộng móng. Đây là một lý do khiến các giá trị giả định cho móng trên đất không được trình bày trong sổ tay này, đồng thời cũng là lý do chúng chỉ nên được sử dụng một cách thận trọng, hoặc chỉ cho mục đích thiết kế sơ bộ.

3.2 Tiêu chí địa kỹ thuật trong thiết kế sơ bộ

Kỹ sư địa kỹ thuật cần cung cấp đầu vào cho quá trình thiết kế sơ bộ. Ở giai đoạn này thường chưa có đủ thông tin về vị trí trụ và chiều dài cầu để có thể biện minh cho việc thu thập thông tin địa tầng chi tiết bằng hố khoan. Nếu trong khu vực không có sẵn thông tin địa tầng, có thể cần thực hiện các hố khoan sơ bộ để có được nhận thức tổng quát về điều kiện địa tầng tại hiện trường. Việc đánh giá điều kiện nền đất dựa trên khảo sát địa chất và khảo sát hiện trường, kết hợp với thông tin địa tầng (từ tài liệu sẵn có hoặc từ các thăm dò sơ bộ), có ý nghĩa then chốt đối với việc bố trí và cấu hình công trình. Một số nội dung cần xem xét chính có thể bao gồm:

  • Có thể nhận diện các điều kiện nền đất mềm hoặc yếu có khả năng hạn chế độ dốc của mái nền đắp. Đối với cầu, điều này có thể chi phối vị trí trụ và tổng chiều dài công trình.
  • Cần xác định các tai biến địa chất, như động đất, phun trào núi lửa, lũ, sóng thần, tuyết lở, trượt lở đất, điều kiện nền có khả năng sụp đổ, đất trương nở, khả năng hóa lỏng, v.v. Sự hiện diện của bất kỳ điều kiện nào trong số này tại vị trí công trình có thể ảnh hưởng đáng kể không chỉ đến việc lựa chọn loại móng mà còn đến thiết kế, chi phí và/hoặc tiến độ thi công.
  • Cần đánh giá các loại móng khả thi. Có thể có đủ thông tin hiện có để kết luận rằng móng nông là khả thi tại một vị trí xây dựng.

Việc tham vấn sớm với kỹ sư địa kỹ thuật có thể giúp tránh phải thiết kế lại tốn kém, dù là ở giai đoạn muộn của quá trình phát triển dự án hay trong quá trình thi công.

3.3 Yêu cầu chống đỡ và đào hố móng trong thi công

Thiết kế spread footing phải vừa hiệu quả vừa khả thi trong thi công. Trong một số trường hợp, cần phải lắp đặt hệ chống đỡ tạm trước khi có thể thi công spread footing. Người thiết kế cần xem xét liệu có cần chống đỡ hay không và có thể thi công hệ chống đỡ đó như thế nào. Một số câu hỏi mà người thiết kế cần đặt ra trước khi lựa chọn móng nông bao gồm:

  • Thiết bị đào thông thường có thể thi công móng được hay không, hay điều kiện đá hoặc điều kiện nền đất khó khăn trong hố đào sẽ đòi hỏi thiết bị chuyên dụng? Kỹ sư địa kỹ thuật cần xem xét loại thiết bị sẽ cần dùng cho công tác đào, dựa trên kết quả khảo sát địa kỹ thuật, và cung cấp đầy đủ nhận xét trong báo cáo địa kỹ thuật để kỹ sư kết cấu và người lập dự toán có thể xác định đầy đủ các yêu cầu thi công.
  • Hố đào có ổn định trong các điều kiện tạm thời hay không, hay cần bố trí hệ chống đỡ để ổn định vách hố đào? Kỹ sư địa kỹ thuật cần xem xét các góc dốc lớn nhất mà mái hố đào có thể duy trì ổn định mà không cần chống đỡ bên ngoài, đồng thời đánh giá khả năng mất ổn định do sự hiện diện của các vùng đất yếu và do vị trí mực nước ngầm.
  • Có khả năng gặp vật cản trong quá trình đào hay không? Các công trình chôn ngầm, hệ thống hạ tầng kỹ thuật ngầm, móng cọc cũ hoặc các tảng đá lớn có thể dẫn đến yêu cầu bồi hoàn bổ sung của nhà thầu nếu trong hố đào móng không có dự liệu cho việc di dời hoặc loại bỏ các vật cản. Công tác khảo sát địa kỹ thuật có thể phát hiện hoặc không phát hiện được sự hiện diện của các vật cản; tuy nhiên, kỹ sư địa kỹ thuật có thể nêu nhận xét trong báo cáo địa kỹ thuật khi điều kiện địa chất hoặc thông tin về các hoạt động trước đây tại hiện trường cho thấy có khả năng gặp vật cản. Việc xác định vị trí các công trình hạ tầng kỹ thuật hiện hữu, kể cả xác nhận thực địa bằng đào thăm dò (potholing), là công việc cần được thực hiện sớm trong giai đoạn thiết kế để đánh giá đầy đủ chi phí thi công.
  • Có gặp nước trong quá trình đào hố móng hay không? Nước có thể gây bất lợi cho thi công móng nông. Nếu mực nước ngầm cao, cần xem xét sự ổn định của lớp đất ở đáy hố móng ngay trước khi thi công móng. Cần ngăn ngừa hiện tượng làm mềm hoặc trồi đáy. Trong một số trường hợp, có thể cần áp dụng biện pháp hạ nước ngầm và làm kín nước. Công tác khảo sát địa kỹ thuật cần xác định sự hiện diện và cao độ của mực nước ngầm tại hiện trường. Điều kiện nước ngầm cần được đánh giá vào mọi thời điểm trong năm, đặc biệt khi có khả năng mực nước biến đổi theo mùa.